基于本地检测法的微电网孤岛检测方法研究

2019-05-09刘忠强刘忠富

发电技术 2019年2期

刘忠强，刘忠富

基于本地检测法的微电网孤岛检测方法研究

刘忠强1，刘忠富2

（1．沈阳仪表科学研究院有限公司，辽宁省沈阳市 110043；2．大连民族大学信息与通信工程学院，辽宁省大连市 116600）

微电网在并网和孤岛2种状态间能够稳定切换运行，首先要解决的关键问题就是要有效检测出所处的运行状态，因此，孤岛检测技术一直是微电网研究的重点及热点问题。在详细分析传统经典孤岛检测算法的基础上，对近年来众多研究者提出的基于频率、相位、谐波和阻抗等不同基本电气量的改进检测算法进行总结，并指出具体的改进措施，对比分析其各自在检测盲区、精确性和工程实用性等特性上的优缺点。综述了多种检测相结合使用，以及基于其他原理的孤岛检测算法，并对未来孤岛检测算法的研究做出进一步的展望，以促进微电网技术向更加智能化的方向发展。

微电网；孤岛检测；主动检测；被动检测；基本电气量

0 引言

随着风电、光伏等可再生能源的快速发展，如何消纳更多的可再生能源成为亟待解决的问题。微电网是消纳可再生能源的有效方式，并成为大电网的有力补充。而微电网一般运行情况下是由公共耦合点(point of common coupling，PCC)经断路器与电网连接，由电网对微电网提供电压、频率的支撑，但是当电网和微电网必须进行解列时，微电网能否稳定地继续运行，准确有效的孤岛监测隔离也就成为关键，而且对检修人员、用电负荷的安全等也至关重要。

传统孤岛监测方法由于原理简单、易实现等特点而被广泛使用，但由于算法本身存在检测量单一、精确度不足等缺陷而急需改进。最早有研究者提出将检测方法分类为本地检测法和远程检测法。基于是否有扰动量的注入又将本地检测法分为主动(或有源)检测法和被动(或无源)检测法，其中，被动式检测法是根据在并网情况下大电网对微电网的嵌制作用，使得PCC点的电压频率以及电流相位等电气量都几乎与电网同步。当处于孤岛运行时，PCC点的这些电气量都会发生明显变化，根据我国的孤岛检测标准，只要超出限定范围则认为出现孤岛。被动检测法存在检测盲区(non-detection zone，NDZ)较大的缺点，特别是当负载功率与系统输送功率相近时更难检测出孤岛。而主动式检测方法是通过向电网注入扰动，由扰动引起系统中的电气量变化来判断孤岛的发生，但是由于扰动量的带入，给电网增加谐波含量，影响了电能质量，随着研究的深入，主动式和被动式检测的结合使用也成为一种趋势。

本文在详细阐述传统经典算法的基础上，依据近年来众多研究者提出的基于频率、相位等电气量的改进算法，以及多种检测量或多种检测算法相结合使用的算法，还有基于本地电气量的其他方法研究，对比分析了其各自在检测盲区、精确性以及工程实用性等特性上的优缺点，针对算法改进点进行分类总结，以方便后续的研究。本文还对孤岛监测算法研究方向做了进一步的展望，以促进微电网的智能化稳定性研究。

1 基于相关电气量的检测方法

最初的孤岛检测方法大多是根据并网和孤岛之间的切换时所引起的频率、相位、阻抗、谐波量突变、开关状态以及功率等基本电气量的改变而提出的。

1.1 基于过/欠压、过/欠频的检测方法

图1 AFD方法原理图

在AFDPF的改进研究中，基于参数与负载品质因数之间的调节关系，文献[3]提出对AFD方法检测失败的负载组合进行理论分析，建立盲区分布图，并寻找出参数与NDZ之间的关系，进而使参数自适应改变盲区位置，缩小检测盲区。有通过检测D大小，让f0和实时随着频率偏差的方向和大小而变化以减小检测盲区。也有采用切换反馈系数的方法，在并网时由于频率波动小，则采用较小的反馈系数；反之，则采用大的反馈系数。这种方法难以选定合适的反馈系数。当然也有研究者提出采用系统频率的变化自适应的整定初始截断系数f0，或者对反馈参数选择进行模糊优化控制的自适应在线调整。上述提出的方法都是考虑参数的自动变化。也有方法是通过符号函数对截断系数进行整定，保障频率的扰动方向，提出改善的反复性AFDPF[4]。更有研究者提出设定f=(D)为具有线性、非线性以及饱和限幅特性的分段函数的方法，按照PCC点电压频率的不同变化次数来相应地选用分段函数施加扰动，尽量减小扰动量对电能质量的影响，但实现过程较为复杂，在工程上难以实现。也有文献提出由于孤岛时，由逆变器输出电流频率会影响PCC点电压频率的特点，只需确保在负半周期电流频率与电压频率同步，根据PCC点相邻半周期频率之差是否连续正负交替变化来检测孤岛。还有提出将下垂控制器中的频率指令由常量改为PCC点的实际频率，正常时电网电压频率只有微小波动，孤岛时由逆变器调节引发正反馈作用，逆变器实际频率迅速偏离限定范围的检测方法。对于电压偏移，有研究者提出Sandia电压偏移检测法(sandia voltage shift，SVS)，原理与SFS相似，并通常将两者配合使用[5]。

1.2 基于相位的检测算法

式中：m为相位偏移最大量；m为最大偏移频率；n为额定频率；为PCC点实时频率；0为初始相位，表示前一周期输出电流频率与电网频率的偏差。针对SMS有研究者提出引入比较环节，对0和负载相位角进行比较，不等则继续原来的检测方法；若相等则在0基础上再加一个很小的Dq使两者不等，使得不进入盲区，但该方法存在两者相等时恰好出现了孤岛而检测不出的可能。也有将SMS算法所用的正选曲线改为抛物线。文献[7]提出由DG端口的三相电压信号通过小波变换分解出不同层的详细系数，再经过小波奇异熵(wavelet singular entropy，WSE)得到相位的奇异值矩阵，即WSE 指数进行孤岛检测的方法。

1.3 基于谐波的检测方法

有研究者根据切换过程中PCC点和电网端电压中谐波增加不相等的特点，使用希尔伯特-黄变换对高频谐波分量进行提取和识别进行孤岛检测的方法。为了避免谐波突变引起的误判，提出通过对谐波畸变率与时间轴包围的面积大小分析判断孤岛。文献[9]设计由单项逆变器向电网注入特定次谐波电流，并使用Goertzel算法计算特定次谐波阻抗的大小来判断孤岛，类似的也有注入高频谐波的方式。文献[10]指出正常电网中偶次谐波含量很小，通过在参考电流信号中加入偶次谐波，公式为

式中：ref为新的参考电流；0为基波电流；I为偶次谐波电流幅值；为谐波阶数。将谐波电流经过RLC负载反映到PCC点的并网和孤岛的不同偶次谐波电压来实现检测。文献[11]考虑了微网属于低压电网，电压中容易含有一定程度的谐波，当包含特定谐波较多时，控制注入谐波与电网电压谐波同幅反相；当电网断开时，特定谐波的相位会发生跳变，配合正反馈控制器可以准确检测孤岛。上述一些方法中由于一直有谐波的注入也影响了电能质量。

1.4 基于阻抗测量的检测方法

基于分压器原理，根据并网和孤岛2种状态下等值系统阻抗变化，并映射为联络线负序电压分配的变化，则可由电压和频率变化，或者在低压侧插入可变电抗的方法判断孤岛；也可通过并联谐振单元参数优化，利用谐振单元端口电压幅值突变和包络线变化率进行双重判定。文献[12]根据提出基于等值阻抗变化的特性，提出注入负序电流并通过检测负序电压的方式判断。有研究者提出在DG出口任意两相设置晶闸管，在端电压过零点附近瞬时导通产生周期性短路脉冲电压、电流，即可获得相应的阻抗值变化而判断孤岛。同理，可直接通过对脉冲电流的监测分析实现判断。针对微电网中多个分布式电源检测的相互干扰问题。文献[13]提出对晶闸管设置不同的检测周期和检测通道，同时控制晶闸管短路信号的开断，使得其检测信号的幅值、触发角和触发周期可控，可以较好地提取检测信号判断孤岛，该方法由于检测通道的连接将会增加运行成本。

传统检测方法认为并联RLC线性负载，若电源输出功率与本地负载匹配，谐波频率与电网频率相等时，检测中的频率、相位、谐波以及阻抗等参数变化会很小，将难以检测出孤岛。而上述方法对传统算法作了极大的改进，比如加入正反馈，并自适应改变反馈参数，将变化量进行放大处理，减小了检测盲区；利用相关原理找出所涉及的参数关系，自动实现对设定参数的改变，有较强的可行性，避免了很多因数的影响；或者是在DG端设置晶闸管产生脉冲的方法，也可以有效地提高检测能力，但是若系统中产生较大谐波，则可能会影响脉冲判断效果；对于引入特定次谐波测量的方法，由于特定次谐波的加入也会影响电能质量。

2 基于扰动的检测方法

针对传统矩形波扰动形式，有研究者提出采用三角波形式的无功扰动，并分别以频率变化率和频率偏移标准差作为检测的启动条件及判据；也有研究者基于双边三角波正反馈扰动信号作为无功电流参考值，通过检测PCC点电压和频率变化量的主动式检测方法。对于扰动方向，有从正反两面分别平衡施加频率扰动的方法。对于扰动量的大小，文献[14]提出自适应有功电流扰动的孤岛检测法，根据孤岛后检测PCC点电压幅值的关系，推导出能触发孤岛保护的最小有功电流扰动，根据PCC电压幅值自适应加入所需有功扰动电流，从而检出孤岛。也有文献提出通过检测逆变器输出电压和电流扰动率计算相关因子f，并与阀值相比较的方法。还有文献提出逆变器输出电流随PCC点电压频率变化而自动的改变其频率，根据正反馈信号调节逆变器输出与负载之间的相位和功率匹配关系，并在输出电流中周期性地加入干扰信号，通过2种频率范围的不同算法可实现准确的孤岛检测。文献[15]提出的检测方法可表示为：孤岛瞬间→逆变器无功扰动电流变化→电压频率波动→PCC点电压频率波动→扰动电流幅值↑→电压频率波动↑→超出限度或异常次数超预设→检出孤岛。文献[16]结合周期性扰动的正反馈有源频率扰动法和2周期电流扰动法，提出通过检测电流频率扰动后，电压频率的交替变化实现检测，检测流程如图2所示。

图2 检测流程图

3 多种检测相结合的方法

本文将多种检测细分为对多种电气量综合处理分析判断的检测方法和选用多种检测方法综合其各自优缺点，充分发挥多种算法可有效减小检测盲区、防止误判等特点结合使用的检测方法。

3.1 对多种电气量检测的方法

文献[17]提出基于同步发电机端电压相位偏移为主判据和频率变化为辅判据的复合性孤岛监测方法。文献[18]提出负序功率正反馈的检测方法。相似地，也有根据孤岛后三相负载不平衡，导致PCC点电压负序分量增大的负序电压正反馈的方法。有研究者提出将负序电压正反馈与电压-有功正反馈相结合的算法，并将频率/电压变化量引入到电压-有功正反馈检测中，可提高检测的有效性，但是若出现三相对称性故障则未必可以检测出。文献[19]对逆变器输出电压的幅值、相位和频率的变化差值建立数学模型，采用二次型最优控制算法进行孤岛检测。多电气量的检测可以避免单一电气量突变而引起的误判问题，可以综合提高检测稳定性。

3.2 多种检测方法相结合的算法

文献[20]提出间歇性无功扰动为基础，将PCC点的电压频率引入到无功扰动量函数中形成负反馈，实现过/欠频检测相结合的检测方法。有研究者提出将相位突变和电压-有功/频率-无功算法相结合的算法，并通过对相位差、频率和电压幅值的检测来判断孤岛，方法将主动检测的盲区小和被动检测的快速性及不影响电能质量相结合。也有研究者提出将过/欠压、过/欠频的被动式检测、主动式移频和移相检测3种方式相结合的检测方法。文献[21]提出基于过欠电压/频率和功率扰动相结合的混合式孤岛检测方法，将逆变器输出功率与负载功率进行比较，得到控制信号，进而在孤岛时根据不同工况在2种检测方法中进行转换。多种检测方法的结合使用不仅充分发挥各自算法的优点来减小NDZ，提高电能质量，还可以提高算法的工程实用性，可适应更为广泛的运行条件。当然，随着算法的复杂化，也可能出现信息反应不够及时等情况。

4 其他本地孤岛检测算法

还有研究者提出了很多不同的方法，如有研究者提出基于特征值提取和极限学习机(extreme learning machine，ELM)分类算法的检测算法；也有研究者提出基于关键特征识别、基学习器和元学习器等3个环节构成的检测系统或者基于决策树的判断方法[22]。若对于特定孤岛，文献[23]提出先建立微网，并提取分析孤岛和并网2种状态的网络特征参数，确立模糊规则库，基于模糊逻辑进行2种状态的检测判断。文献[24]指出，当微网由并网转为孤岛时，微网与主网之间存在电感和电容耦合，故而会存在潜流暗供现象，将导致大电网会连续向微网提供一个小电流g，并作为参考值，若流过电流小于g，则认为出现孤岛。由于方法中参考量单一、检测受实际环境影响较大等特点而实用性不强。

5 结论

详细分析了传统检测方法，并细致地列举了各种改进算法，对改进点都做了明确的归纳，可以看出：

1）很多方法比如对反馈系数、增益大小变化，提出了通过直接加入或者利用相关系数原理自适应的改进方法，极大地弥补了传统算法由于固定起始参数、固定步长而引起的检测盲区大的缺点，可以实时改变系数有效地跟踪检测。

2）对于引入特定次谐波，通过检测谐波含量变换，或者谐波对应的电压、频率、相位以及阻抗的变化来实现检测，一定程度上改进了原来仅根据系统所含谐波判断的检测方法。

3）对于引入扰动信号，通过变换扰动波形、双向扰动或交替扰动的方式进行改进，提高了信号的辨识度，提升了检测效果。当然引入谐波和扰动的同时，也降低了电能的质量。

现在很多研究者已经提出了对多电气量综合测量判断孤岛，或者是基于原来提出的某些可以相互弥补对方缺陷的2种或者多种算法相结合使用的方法。微电网正朝着含有多个或多种分布式电源的方向发展，未来的孤岛检测技术必须满足能在多源系统的微电网中，且可能存在谐波、相互间功率流动、电源输出端口电压频率或相位不同步等一系列情况下依然能够检测出孤岛，以满足孤岛检测的快速性、准确性。

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Detection Method for Islanded Microgrid Based on the Local Detection Method

LIU Zhongqiang1, LIU Zhongfu2

(1. Shenyang Academy of Instrumentation Science Co.,Ltd, Shenyang 110043, Liaoning Province, China; 2. College of Information & Communication Engineering, Dalian Minzu University, Dalian 116600, Liaoning Province, China)

In order to stabilize the microgrid operating between the networks and islands, the key issue that detecting the operating state effectively must be solved. Therefore, the island detection technology becomes important research field. Based on the detailed analysis of the classic detection algorithm, this paper summarized the improved detection algorithm based on electrical quantities, including frequency, phase, harmonics and impedance. The advantages and disadvantages of the different detection method in non-detection zone, accuracy and practicability, etc was pointed out. A variety of detection used in combination, and islanding detection algorithm based on other principles was reviewed, and a further prospects were done for the islanding detection algorithm research, in order to promote micro-grid technology more intelligent.

microgrid; islanding detection; active detection; passive detection; basic electrical quantities

10.12096/j.2096-4528.pgt.18224

2018-10-30。

刘忠强(1978)，男，硕士，工程师，研究方向为智能电网、传感器与嵌入式系统，liuzhongqiang2016@163.com；